物理与工程

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教学研究

  • 弥合与超越——基础教育阶段物理学科项目化学习的普及化路径构思

    王思慧;王烨飞;

    基础教育阶段的物理教学中,传统课堂授课方式和项目化学习长期以来被当成两种独立的教学模式,各行其道,两者之间存在观念和方法上的鸿沟。本文试图寻找一条途径,弥合其间的分歧。通过过渡性的探究性物理实验课题,让学生学会分解、还原复杂问题,打破对未知的恐惧、树立信心,进而引导学生进入项目化学习,实现学习能力、知识技能以及科学精神的全面培养。

    2021年04期 v.31;No.204 3-7页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 混合气体分子速率分布函数的演化过程研究

    尹增谦;武丽姣;王永杰;

    利用蒙特卡罗方法,对混合气体分子速率分布函数的演化过程以及不同成分间的能量转移过程进行了研究。数值模拟结果表明,随着碰撞次数的增多,速率分布函数逐渐趋向于相应的麦克斯韦分布函数,而弛豫过程的快慢与各成分的分子质量有关。

    2021年04期 v.31;No.204 8-17页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 利用分子动力学模拟研究气体双向泻流过程

    李之夏;姚宇辰;章盛;侯吉旋;

    本文利用分子动理论从理论上推导了理想气体的双向泻流过程。即在一个绝热容器中加入一绝热隔板,在隔板两边分别设置初始条件不同的理想气体。在两子系统达到平衡时开放隔板上一小孔,使两子系统进行双向泻流。除了理论推导,本文也引入分子动力学模拟计算了温度随时间变化曲线。这种双向泄流可能会产生一些违反常识的有趣的现象,我们发现在满足特定条件下,初始温度高的气体会先升温再降温,而初始温度低的气体会先降温再升温,直至温度相等为止。

    2021年04期 v.31;No.204 18-20+26页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 蒙特卡罗模拟在物理与生物学中的应用

    郭竞达;史旭光;

    本文使用计算机Matlab编程,用蒙特卡罗数值方法对正方形内任意两点的平均距离和伽尔顿板进行了模拟分析。其中,"正方形内任意两点的平均距离"与"伽尔顿板"两组实验结果与常规实验得到的结果相符合,从而验证了蒙特卡罗方法在物理研究中是有效和可靠的数值方法。而后将这一方法用于分析"传染病的传播"问题中,蒙特卡罗数值模拟方法对于在不同条件下传染病的扩散进行了分析。该模型对于对传染病的防控措施具有一定的借鉴作用。

    2021年04期 v.31;No.204 21-26页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 均匀带电细棒和带电圆环电场的计算机模拟

    刘润泽;林炯辉;刘玉颖;宋敏;

    为了可以更直观地观察带电粒子在复杂电场中的运动轨迹以及描述电场的空间分布,本文基于库仑定律和电场叠加原理,应用VPython软件,对均匀带电有限长细直棒和均匀带电圆环的电场的空间分布进行了可视化模拟;并模拟探究了带电粒子在带电圆环电场中的运动形式,对于简单的周期性运动,我们在理论上计算了带电粒子运动周期,并与模拟的结果相比较做了相关的讨论;模拟探究了带电粒子多种复杂的运动形式,预测了带电粒子在圆环电场中运动可能出现的混沌现象。

    2021年04期 v.31;No.204 27-33页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 堆积链条下落过程中的机械能分析

    姚琨;杨海彬;姚陆锋;鄢红春;李定国;

    利用动量定理可计算出链条堆在下落过程中的速度,结果表明在这个下落过程中链条的机械能不守恒。链条堆下落的一个重要特点就是下落部分会带动静止部分一起运动。本文认为正是这个特点,链条堆在下落过程中会有机械能损失,机械能不守恒。并利用运动物体带动静止物体一起运动的牵引模型,分析了在此下落过程中机械能损失的机制。利用这种损失机制,计算得到链条在整个下落过程中的能量损失。计算结果与利用动量定理算得的能量损失一致。

    2021年04期 v.31;No.204 34-36页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 相互垂直的简谐振动合成及李萨如图形的渐进变化

    栾其斌;王丰;

    本文通过引入不同的时间尺度,对二维空间中两个垂直方向的简谐振动合成做了定量和定性的分析。虽然当两个振动的频率比为无理数时,在严格意义上不存在完全稳定的李萨如图形,但如果振动的频率比接近某一李萨如图形对应的频率比时,通过时间尺度分析,合成运动可以分解为一系列不同相位的李萨如图形及其之间的渐进变化。此外,本文利用振动的相位和两个垂直方向的振动方程的特点,将二维空间中的运动延拓到三维空间,指出这种李萨如图形的渐进变化为三维空间下的匀速旋转,且旋转速度取决于振动频率比与其临近有理数的接近程度。

    2021年04期 v.31;No.204 37-40页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 统计熵一定正比于体积吗

    陈玲;张保成;

    一直以来大家都认为物理系统的热力学熵或统计熵与该系统所占的空间体积成正比,特别是微观体系的统计计算为这一结论提供了可信的基础。事实上,最近的研究发现,即使采用几乎同样的统计计算方法,当研究对象变成黑洞的时候,统计熵不再正比于体积,而是正比于面积。这样新颖而有趣的结论不仅对理解统计计算方法本身,而且对理解热力学量之间的关系都有极大的帮助。

    2021年04期 v.31;No.204 41-44页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 大学物理分层次在线教学的研究与探索

    张荣香;丁文革;代秀红;韩育宏;张建飞;袁小先;

    基于在线教学在信息收集和学生学习行为记录方面的全面性和便捷性特点,对大学物理课程实施了班内分层次教学的研究和探索。主要基于"一中心四原则"的教学理念,根据课前调查问卷,课堂和课后的学习状态和学习行为记录对学生进行分层次教学。"一中心"指以学生为中心,"四原则"指个人定制原则、隐性分层原则、鼓舞激励原则和实时动态原则。首先依据学生的课堂响应和课后作业完成情况将学生分为A、B、C、D四个层次,每一层次学生的学习特点分别为积极主动型、被动响应型、内向自主型和消极怠慢型。然后结合课前对其进行的在线问卷调查结果,以及课中、课外在线学习行为的记录对不同层次学生进行有针对性的指导,从而真正做到"因材施教",提高班级整体教学效果。

    2021年04期 v.31;No.204 45-53页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 基于复杂网络的本科应用物理学专业课程相关性分析

    肖子曦;胡海云;

    本文主要研究本科应用物理学专业课程之间的关联情况。成绩作为量化学生对课程掌握程度的一种方法,当课程内容具有相关性时,课程的学生成绩也会具有一定的相关性。本文以北京理工大学应用物理学专业2014级学生各门课程的成绩数据和试卷内容为例,将课程视作复杂网络中的节点,课程之间的关联系数转化为节点之间的连线距离。采用复杂网络与统计学中的工具与方法,"逆向"推出课程之间的关联。运用关联系数和可视化工具,以最小生成树和网络图的方式形象描述课程之间的结构关系。从而建立应用物理学专业的相关性课程网络,说明核心课程和难点课程。结合试卷考察的内容,重点分析热学与热力学统计物理、电磁学与电动力学、固体物理学与其他课程等课程内容聚类性,对课程设置提出参考意见,以完善现有的课程设置方案。

    2021年04期 v.31;No.204 54-63+68页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 大学物理在线教学中非标准化考核模式的探索与实践

    张晓锋;王青;戴剑锋;

    非标准化考核是对传统考试的改革创新,可以打破传统的标准化考试的刻板与僵化,能够更为真实和全面地反映学生对知识的掌握和运用能力,有利于培养学生的创新能力、创新意识和创新精神。本文针对大学物理课程传统考核模式的现状和问题,结合兰州理工大学大学物理课程非标准化考核模式探索与实践,提出将非标准化考核模式应用于大学物理教学,以培养学生的自主学习能力和实践创新能力。实践表明,非标准化考核模式的实施为大学物理课程提供了更加全面合理的课程评价体系,对切实提高教学质量非常重要。

    2021年04期 v.31;No.204 64-68页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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Global Physics Education

  • 康奈尔大学的“实验室中的批判性思维”开放课程简介

    王槿;惠王伟;朱闻睿;

    2020年秋季,受新冠疫情影响,康奈尔大学的基础物理实验课程通过远程方式实现。本文介绍了康奈尔大学的"实验室中的批判性思维"(Thinking Critically in Physics Labs)开放课程。该课程包括远程力学实验室(Remote Mechanics labs)、远程电磁学实验室(Remote E&M labs)和课后作业(Lab homework)三个模块。除了课程内容,我们还将简要介绍其在疫情期间的教学实施,并与南开大学基础物理实验课程概况作对比分析。希望这些探讨能为基础物理实验教学提供参考。

    2021年04期 v.31;No.204 69-74页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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物理实验

  • 角谱法数值再现离轴菲涅耳数字全息成像的物理机制探讨

    赵洁;王大勇;王云新;戎路;李平雪;

    本文以离轴菲涅耳数字全息实验为基础,探讨了基于角谱衍射传播方法进行数字全息图重建的成像性能,重点挖掘数值计算背后的物理机理,帮助学生更好地理解所涉及的信息光学知识点。首先,介绍了离轴菲涅耳数字全息图常用两种再现方法的原理,分别是频域滤波方法和空域直接回传方法;然后,利用模拟实验分析了这两种方法在实现成像分辨率和视场方面的特征,把全息理论与仿真现象充分地联系起来,揭示隐藏在数值计算之后的光学原理。本文通过对数字全息图前向和后向传播获取再现像的对比分析,加深对傅里叶变换、衍射传播、频谱滤波等基本物理概念的理解和掌握。

    2021年04期 v.31;No.204 75-81页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 聚合物分散液晶光电器件实验设计与制备

    李珂;蔡文锋;李烨;唐宗元;马宗俊;刘言军;

    本文以"聚合物分散液晶光电器件设计与制备"实验为例阐述了将经典光学实验与前沿内容结合在教学中的运用。通过本文的实验设计可使学生了解聚合物分散液晶材料,掌握基于激光曝光技术制备包括智能窗、全息光栅、叉形光栅的方法和过程,重点引入涡旋光这一前沿光学研究课题,掌握利用叉形光栅产生涡旋光的原理与过程,并学习利用光学基础中的马赫曾德尔干涉仪检测涡旋光拓扑核的方法。通过实验,使学生意识到科学前沿并非空中楼阁,而是与基础理论密切相关。进而激发学生学习探索的热情,加强其基础知识储备,培养其创新型思维,为将来进一步的科研及工作打好基础。

    2021年04期 v.31;No.204 82-88+94页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 彩色单像素相机实验研究

    陈奕鸿;崔佳琪;杨初平;

    近年来频谱重建的单像素成像技术的独特性质得到人们的普遍关注,它不仅提出一种新的成像方式,而且揭示了物体空域信息与频域信息的逆傅里叶变换关系,为了在实验教学中研究这个问题,本文在理论和实验上研究了单像素彩色成像问题。首先,分析了单像素成像的物理基础:频谱重构;接着,考虑了环境电磁辐射、探测器位置和探测器有限面积等因素后,建立了单像素探测辐射度量公式;然后,依据三步相移法导出了频谱重建公式,提出单像素彩色成像的三种实现方案,并比较了它们的优点和缺点;最后在实验上建立了彩色单像素成像装置,并采用分色照明结合分时探测的方法,实现了单像素彩色成像。本研究在物理实验教学上展示了一种新的成像原理:频谱重构结合逆傅里叶变换成像;在技术上提供了实现单像素彩色成像的一种低成本实验方案,让学生在成像过程中实时理解物体空域信息与频域信息的对应关系,并定量研究不同频谱范围对成像质量、不同探测器位置对成像效果的影响。

    2021年04期 v.31;No.204 89-94页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • AR技术在物理实验教学中的应用与实践

    刘昊;郑志远;张自力;董爱国;李传涛;黄昊翀;梁勇;任佳;王春艳;

    物理实验教学在各级学生教育与培养中都占据了相当重要的地位。但是,仅依托于实验器材进行教学,存在着实验室资源有限、预习效果不佳、不利于器材维护与增加运行成本等诸多不足之处,通过引入AR等虚拟仿真实验可以有效解决这些问题。鉴于此,我们将AR技术与传统纸质教材和实验仪器或实验装置实物进行结合,学生通过手机等移动端就可以观看实验仪器或装置的内部三维模型和三维动画等内容,实现了仪器或实验现象的可视化和交互化操作,打破了实验仪器"黑盒子"或实验现象不可见的限制,大大提高了学生对物理实验的学习兴趣与热情,提高了预习和教学效果,增强了实验资源对课内课程、课外实践的支撑力。同时,该方法不需要专门配备VR眼镜等装备,易于大规模应用和推广。

    2021年04期 v.31;No.204 95-99+108页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 基于手机的随机误差统计规律实验数据处理方法

    徐强;罗丽峰;

    大学物理教学中包含的随机误差统计规律实验项目要涉及大量的数据处理,本文介绍了如何基于智能手机的节拍器、秒表以及WPS软件,加快时间测量中随机误差的统计规律实验进程。针对经典的数据处理软件Origin和Excel大多只能够在PC端运行的限制,结合自身的教学实践,利用智能手机中WPS软件,对手动采集的大量时间测量实验数据进行自动处理,快速得到实验结果。学生无需到实验室进行实验,实验效果明显,实验效率显著提升,激发了学生学习兴趣。在移动学习模式广泛应用于教学,且智能手机普及的今天,具有较强的推广价值。

    2021年04期 v.31;No.204 100-104页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 复色光光栅衍射实验的Matlab仿真

    陈蕾;余丽芳;霍童;

    光栅衍射光谱在单缝衍射因子和缝间干涉因子的共同作用下,随着缝的宽度,光栅常数以及缝的数目都会发生各种变化。本文基于光栅衍射原理,利用衍射光强公式,运用Matlab编写程序,模拟复色光光栅衍射实验,生动清晰的呈现光栅的分光作用,通过改变仿真中的参数值,研究了复色光光栅衍射光谱随缝宽,光栅常数以及缝数等参数的变化,分析了影响光栅分辨本领的因素。计算机仿真可以快速准确地显示实验结果,对加深教学中重点难点知识的理解,提高教学和学生学习的效果有重要意义。

    2021年04期 v.31;No.204 105-108页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 基于Arduino的显微观测平台的设计

    阳志;秦建林;萧华鹏;张妙静;

    为了模拟纺织品中衣物纤维的吸湿性能,搭建了能操控并观测微小体积(微升)液滴的实验平台。本实验平台将自行编写可执行程序上传到Arduino开发板中控制步进电动机的脉冲信号,使用步进电动机和数码显微镜来达到微观尺度的高精度间距控制和观察。通过控制纤维的间距来观察液滴的形貌变化,发现液滴形貌变化与纤维半径、液滴体积有关。当纤维半径是0.25mm时,小体积液滴(约小于1.2μL)随着间距的增加或者减少形貌具有可逆性,但是(相对的)大体积的液滴(约大于1.2μL)随着纤维间距的变化出现了滞后性。本文的研究对于纤维纺织品的制造和小规模液体的操纵或运输有参考作用。

    2021年04期 v.31;No.204 109-113页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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大中衔接

  • 弹簧腐蚀过程中的浸渐不变量

    董书平;范洪义;

    本文通过回顾历史上物理学家关于热现象的浸渐过程、力学振动的浸渐现象、磁矩的浸渐不变量、磁通的浸渐不变量和电磁振荡电路中的"浸渐不变量",来探讨弹簧缓慢腐蚀的情况。从日常生活中弹簧劲度系数变化的现象出发,先建立一个理论模型:单摆摆长缓慢变化。用经典物理的方法,功能原理和微小运动过程的数学处理得出结果,其能量E与摆长L满足:■为常数,即E与频率ν的比值为一常数。然后用单摆和弹簧振子振动频率的相似性进行类比给出了结论:弹簧腐蚀过程中的能量量子化,劲度系数缓变时,■是不变量。

    2021年04期 v.31;No.204 114-116页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 从“地轴-恒星”参考系看落体问题

    冯子江;鲁斌;向豪;

    本文在"地轴恒星"参考系中,详细推导了落体偏东和偏南的表达式,利用计算机进行数值计算,得到了具体结果。并进一步与偏东的一级近似值与偏南的二级近似值比较,得到了较为有益的结论。

    2021年04期 v.31;No.204 117-120+122页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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课程思政建设

  • 王小力在全国大学物理课程思政专题研讨会上的讲话

    王小力;

    <正>尊敬的文华学院郑书记、献君校长,尊敬的大宁校长,增明主任,熊老师和各位老师、朋友们:大家上午好。今天非常高兴来参加在文华学院举办的全国大学物理课程思政专题研讨会,这是今年教指委大学物理实验专项委员会和课程思政工作委员会联合举办的关于物理课程思政建设的第一次会议,有400多名老师汇聚参会,是一次课程思政建设的盛会。这也是我半年内第三次来到武汉,

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  • 大学物理课程思政“五大关系”的理性探讨——从思政的视角探讨大学物理课程思政

    朱鋐雄;王向晖;尹亚玲;

    习近平总书记指出,我们正面临中华民族伟大复兴的战略全局和世界百年未有之大变局。我们的教育改革和课程改革如何应对这"两个大局"的发展?怎样培养在新发展阶段能很好担当起实现中华民族伟大复兴使命的建设者和接班人?本文把课程思政放在"两个大局"的时代大背景下,从思政的视角对与大学物理课程相关的课程思政与思政课程、课程思政与系统集成、课程思政与核心素养、课程思政与学科贯通、课程思政与学科知识等五大关系作了初步理性探讨。同时,我们基于大学物理课程自身具有的思政价值和思政元素,阐述了大学物理在课程思政中属于自己的那"一段渠"和"责任田"所包含的具体内容。

    2021年04期 v.31;No.204 123-130页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 西藏高校物理课程思政初探

    王梓名;张为;杨晓荣;

    课程思政是课程教学中落实立德树人宗旨的重要途径。针对西藏高校物理课程如何更好地发挥育人功能的问题,提出基于藏族优秀传统文化来开展物理课程思政建设。首先阐述了基于藏族优秀传统文化进行物理课程思政的必要性和可行性,其次挖掘了部分藏族优秀传统文化中的课程思政元素,最后简述这些思政元素如何与专业知识有机融合以形成物理教学资源,提高西藏高校人才培养质量,有效引导学生成长成才。

    2021年04期 v.31;No.204 131-136页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 编辑人语

    <正>为促进课程思政教育精神、意义和内涵的深入探讨,《物理与工程》期刊开设"课程思政专栏",邀请教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会课程思政工作委员会常务副主任、大学物理课程教学指导委员会原副主任委员、西安交通大学原党委常务副书记王小力教授做栏目主编。

    2021年04期 v.31;No.204 121页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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风采实录

  • 2021年第十四届全国高等学校光学教学暨学术研讨会会议纪要

    <正>2021年全国高等学校光学教学暨学术研讨会于7月17日至21日在新疆维吾尔自治区喀什市举行,会议由全国高等学校光学教学研究会主办,喀什大学物理与电气工程学院、山东大学物理学院联合承办,喀什文苑物业服务有限公司协办。会议主题为:光学教学改革与发展。本次会议主要内容包括:报告光学类五类金课、课程思政案例的建设成果;交流光学课程教学改革的研究与实践;讨论有关课程建设的若干热点问题,重点研究当前光学课程建设的形势和发展方向,并为与会者提供交流教学新思想、新成果的舞台,为提高全国光学师资的教学水平和学术水平作出努力和贡献。来自全国50余所高校、出版社及光学教学仪器开发公司的100余名代表参加了本次会议。

    2021年04期 v.31;No.204 2页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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  • 封面说明

    <正>2020年诺贝尔物理学奖授予莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)(左)、罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)(中)和安德里亚·格兹(Andrea Ghez)(右),以奖励他们发现黑洞的形成是对广义相对论的有力预测和在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体。

    2021年04期 v.31;No.204 2页 [查看摘要][在线阅读][下载 0K]
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